气化引擎的颗粒状排放物与未燃烧碳氢化合物的反应器

摘要

一种可附着至一内燃引擎排气歧管之反应器,以氧化与燃烧油烟碳颗粒、一氧化碳及未燃烧碳氢化合物,及分解氮与硫氧化物。该反应器具有一反应区(20),该反应区包括多孔性保热泡沫气室(30)并与一多孔性保热区(4)相邻接,并依序用陶瓷隔热材料(6,7)围绕着,以使能量损失减至最低。提高温度与含有一些氧气(空气)的引擎废气(1)将进入该反应室(20)。通过碰撞式传热、热辐射增强作用、能量捕集、与引擎排放物之燃烧,即可获得足够温度以氧化油烟碳颗粒、一氧化碳、与未燃烧碳氢化合物。导入蒸气或雾化水滴(104),以便经由气化、再气化、水转移反应、甲烷化作用与氢化裂解反应提高该反应器之效率。由该反应器释放无害之氧化反应产物(12),即水和二氧化碳。

说明书

发明领域

本发明涉及一种反应器，其可燃烧来自车辆内燃引擎废气中有毒或不需要的气体与颗粒状(包括烟与烟雾)排放物。由该反应器释放至大气中的最终产物只包含水蒸汽、二氧化碳、与已净化废气。这一过程借助于以下几个步骤完成：再利用该内燃引擎废气回收的热量；将该排放物用作燃料以产生额外之燃烧能量；应用热辐射增强，碰撞式传热和能量捕集以达到一高达800℃或更高之温度环境；与使用最新式之绝热材料以使其对环境的能量损失减至最低。

背景技术

对汽车排放物所造成人体健康与环境影响之关切，业已造成对碳氢化合物、一氧化碳、氮氧化合物(NO_X)、与诸如油烟和烟雾颗粒的汽车排放物的日益严格的限制标准。油烟或烟雾基本上是一种碳颗粒，其于燃烧过程期间来自润滑剂受热或碳氢化合物燃料之凝聚作用与除氢作用。烟雾基本上是油烟、水蒸汽、与未燃烧料的混合物。可容易观察到以柴油引擎作动力的大卡车的排气管所排放的装满油烟之黑烟。然而，当使用过滤器以减少油烟和烟雾排放物时，一些研究结果显示该等引擎颗粒过滤器或捕集器只收集到60％-90％之颗粒。所留下之颗粒将渐进地阻断该流动通道且增加反向压力，因此造成引擎输出功率的降低与燃油的浪费。

对于典型的汽油引擎，其出口温度范围为320-370℃，且废气离开该催化转换器后之温度可高达500℃。然而，最大之引擎出口温度可高达400℃。因为不完全燃烧，该废气中之含氧量大约1％，且该燃油/空气混合比为化学计量比。

对于柴油引擎，其出口温度范围为540-650℃，且其最大温度可高达800℃。柴油之油烟颗粒之平均粒径超过0.3微米，且它们超过75％之直径少于1微米。当在一过滤器上收集时，该油烟颗粒之堆积密度是大约0.07克/每立方厘米。这表明该油烟颗粒之结构是多孔性，因而容易与水和氧气起反应。在空气或一含有10％氧气的气体混合物中，油烟在300℃时慢慢地氧化，且400℃时迅速地氧化。假如于存在有充足氧气下达到大约540℃之温度，一柴油废气过滤器所收集之油烟将燃烧。该柴油引擎废气之含氧量大约是10％-12％，因为该柴油引擎之汽轮增压器具有一高达25％之空气/燃油混合比，且有过量的空气。

因此，为维持一个反应器在300℃以上，且有大约1％含氧量之汽油引擎废气导入其内，将造成各气体成份(诸如一氧化碳与未燃烧之碳氢化合物)氧化，且将大幅减少其释放至大气中的量。同理，为维持一个反应器在大约400℃，且有大约10％含氧量的柴油引擎废气导入其内，将造成油烟颗粒的燃烧而减少其释放。此反应器应能配备或更换与汽油引擎一起使用之催化转换器，且应能大幅减少来自柴油引擎之有害排放物，而该柴油引擎无催化转换器。

催化转换器与汽油引擎一起使用的公认问题是在冷机起动后最初200秒期间，产生由60％至85％之碳氢化合物排放物。这是因为催化转换器不能有效率地除去这些污染物，直到他们达到300℃或更高之有效操作温度。

本发明包括美国专利第5,618,500号中所公开的反应器的各项改进。这些改进包括该反应器入口之雾化水滴或蒸汽之喷射，以提高该反应器的效率。

发明的公开

本发明涉及一种反应器，其可沿着一内燃引擎之排气歧管安装，诸如一柴油引擎、汽油引擎、喷射引擎或燃气轮机。可能包含有油烟颗粒、未燃烧碳氢化合物燃料、二氧化碳、一氧化碳、水蒸汽、氮氧化物、与空气的燃烧废气被导入一反应区内。该引擎和反应器可能安装在一车辆上，或可能固定不动地安装着。用陶瓷泡沫气室、一陶瓷壁面、与绝热材料围绕着该反应区。这些隔热材料使得该反应区与该反应器本身的能量损失减至最少。设计该反应区与陶瓷泡沫气室的结构，使其能结合数个传热过程(传导，对流，与辐射)以“捕集(trap)”该反应区中之能量，且达到足够高的温度，以便氧化油烟颗粒、碳氢化合物、与一氧化碳，及分解有毒之排放物，诸如氮氧化物(NO_X)与硫氧化物(SO_X)。这些氧化反应是放热的，以致在该反应区产生热量，且于该处被捕集，仅能维持氧化所需之温度。在该反应区中由于引擎废气中的未燃碳氢化合物之点燃(燃烧)将产生其它热量，以致当它进入该反应区时可达到超过该废气温度之温度。

装满颗粒之导入废气将接触该等多孔性陶瓷泡沫气室，且这些颗粒(油烟)沉积在该多孔性陶瓷泡沫之表面上，并经由碰撞式传热方式传导热量。这些颗粒系藉着来自该多孔性陶瓷泡沫之传导加热，藉着该反应区中所捕集之热量经由对流和辐射加热，与藉着由未燃烧碳氢化合物之燃烧所产生之热量加热。在该废气中存有氧气时，沉积碳颗粒被氧化与燃烧成有毒之一氧化碳。该一氧化碳于该反应器中依序被氧化成无害之二氧化碳。这些沉积碳颗粒之氧化与燃烧亦释放出能量，并依序增加该反应器之温度。

本发明包括以雾化水滴或蒸气之形式将水喷入该反应区。该水将与未燃烧之碳氢化合物、油烟颗粒反应，且经由气化、再气化、与水转移反应(water shift reaction)。

    (气化)

      (再气化)

    (水转移反应)

在上面反应中或该引擎废气中所形成之一氧化碳、二氧化碳、与氢气能通过甲烷化作用(methanation)与氢化裂解反应，以形成甲烷与水。

        (甲烷化作用)

    (氢化裂解反应)

这些反应之产物是二氧化碳、氢气、与甲烷。氢气和甲烷可在反应区中以放热反应很快地氧化，以帮助该反应区维持在高温。另一选择方案是，它们在一附加之催化氧化剂中或商业上可用之催化转换器中氧化。

本发明具有几个目的。第一，它使用一引擎本身之废能和来自该引擎本身排放物燃烧所产生之能量，以消除该引擎废气中的不需要成份，且具有第二个燃烧器之作用。第二，因为该反应器在该引擎暂时关闭之后仍可保留热量达数小时，在这间隔期间内该反应器高于周围环境之温度，可更有效率地重新起动该引擎。该反应器可减少该冷机起动时期之持续时间，大约由200秒减少至100秒，这是因为其保热特性与捕集该反应器中废气内之颗粒。这些效果造成较少能量消耗与较少的碳氢化合物、烟雾、与油烟排放物。第三，该反应器不会增加操作与维修之需求一它没有移动零件；它不需催化转换器(虽然一实施例被公开与并要求使用一催化转换器)；它不需要改变该引擎燃烧过程(诸如节流)；不需要过滤器或捕集器(其可能阻断该排气系统，或减少引擎输出功率或节约燃油)；对现行车辆之设计其不需要外部之氧气或能源(虽然未来之车辆设计可能需要它们，且本申请专利之一实施例包括它们)；不需清洗或回收；不需要一控制系统；且该反应器无噪。

附图的简要说明

图1是一个实施例之一横截面图，其强调热辐射之增强作用，而既无催化氧化剂层，也无催化转换器。

图2是一个实施例之一横截面图，其强调用一催化氧化剂层之热辐射增强作用。

图3是一个实施例之一横截面图，其强调用一催化转换器之热辐射增强作用。

图4是一个实施例之一横截面图，其强调该反应区中之长保留时间。

图5是一个实施例之一横截面图，而为保留时间与热辐射增强作用间的折衷。

图6是一个实施例之一截面图，带有辅助的空气与能源。

发明的实施方式

参考图1，引擎废气1典型地含有各种燃烧产物，包括烟雾、油烟颗粒、未燃烧碳氢化合物(燃油)、二氧化碳、一氧化碳、水蒸气、氮氧化物(NO_X)，它们在高温经由入口管子9进入本发明之反应器。该入口管子引导该冲击式引擎废气射流直接进入该陶瓷泡沫气室30静止表面上之一反应区20。来自一水箱100之雾化水滴或蒸气亦藉着使用一连接管101、泵102、与一雾化喷嘴103导入该反应区20。该雾化水滴、或蒸气系射入该反应区20，以与引擎废气之成份混合，且参与该气化和水转移反应。该连接管系包卷环绕着该引擎汽缸，以便更佳利用来自引擎之废热与使水快速变成蒸汽。该反应区之横侧表面与多孔性保热区4相邻接。更特别地是，该多孔性保热区可能系由陶瓷材料之网状泡沫气室所制成，诸如锆氧、富铝红柱石、硅石、矾土、堇青石、或火山石；这些陶瓷材料之陶瓷氧化物；该等陶瓷材料或它们之氧化物之结合物；或这些涂覆(washcoated)有高纯度矾土、二氧化钛、或沸石的结合物。该反应区相向于该入口管子的表面系以一不渗透的陶瓷壁面圆盘5相邻接。该等陶瓷泡沫气室30系附着于该不渗透的陶瓷壁面圆盘5并伸入该反应区20，其可由与该多孔性保热区相同之材料制成。该多孔性材料4与30具有五项功能的作用：(1)当作保留能量之介质；(2)当作供过滤与沉积油烟颗粒的场所；(3)用于延长废气在该反应器中的保留时间；(4)用于提供辐射增强的形状系数；与(5)用于均匀之热量混合与流动混合。

如图1中所示，有一缝隙35位于该多孔性保热区4与该多孔性陶瓷泡沫气室30之间。该多孔性保热区是在一不渗透之陶瓷壁面6内，并依序与一外侧隔热区7相邻接，诸如真空成形的陶瓷纤维、陶瓷纤维的覆盖层、或耐火纤维。该不渗透之陶瓷壁面圆盘5与该不渗透之陶瓷壁面6可以是陶瓷材料，诸如锆氧、富铝红柱石、硅石、矾土、堇青石、或火山石；这些陶瓷材料之陶瓷氧化物；该等陶瓷材料或它们之氧化物之结合物；该金属和陶瓷之结合物；或氧化镁或钙之稳定或部分稳定化陶瓷。该反应器具有一金属外壳8。

对专门术语而言，该反应器之入口是指该反应器之底部，且其出口区是指其顶部，该反应器之顶部是一个金属罩壳10与一金属出口管子11。该不渗透之陶瓷壁面圆盘5、反应室20、多孔性保热区4、不渗透之陶瓷壁面6、与外侧之隔热区7，它们之顶部与一金属筛网70相邻接。该金属筛网70与该不锈钢罩壳10之间含有一外室40。该等金属组件典型地是不锈钢或一高温合金。    

大部分装满颗粒之导入废气射流1进入反应区20，并碰撞在该多孔性陶瓷泡沫气室30之静止表面上，且分布至缝隙35。一些导入之射流直接通入该缝隙35，在此它与已有的射流混合，且随后穿过该多孔性保热区4。因为该多孔性保热区是与不渗透之陶瓷壁面6相邻接，来自该多孔性保热区之射流穿过该金属筛网70进入外室40，然后经由该出口管子11流出该反应器。

在该反应区20中，数个过程发生作用以产生足够的高温，足以氧化与燃烧油烟颗粒、碳氢化合物与一氧化碳，并分解有害之排放物，诸如氮氧化物(NO_X)与硫氧化物(SO_X)。当装满颗粒之导入废气射流1接触保热区4与气室30之多孔性保热材料时，颗粒即沉积在这些表面，且由碰撞式传热与传导将热量传导至这些表面。这些表面依序经由辐射放热，且热废气经由对流传热。因该反应区被隔热材料围绕着，上面过程所产生之热量保留于该反应区中，仅有一些损失，且其温度足以氧化与燃烧该油烟碳颗粒、未燃烧之碳氢化合物燃油，并获得一氧化碳，且该气体产物离开这些多孔性反应区4与气室30之表面。该等油烟颗粒、未燃烧碳氢化合物、与一氧化碳之氧化与点燃(燃烧)，以及氮氧化物与硫氧化物之分解，皆是放热反应，其热量释出以帮助达到这些氧化和燃烧过程所需之高温，仅能维持这些氧化与燃烧过程。由出口管子释出最终产物12包括二氧化碳、水蒸气、与其它已净化废气。

该引擎废气1与雾化水滴或蒸汽104混合，且发明的概要中所述之化学反应可将油烟颗粒(碳)、一氧化碳、与未燃烧碳氢化合物转换成二氧化碳、水、氢气与甲烷。除了气化外，所有这些由导入的水所引发的反应在该中心反应区所获得之温度皆是放热的。为导入水以便具有一净放热效应，该水与原料(引擎废气)之质量比范围应是0.01至3.0。所产生之甲烷与氢气皆是燃料，以便进一步增强所需之高温，以维持该氧化与燃烧过程。

这合适之质量比范围系以废气燃烧计算所得，并基于该引擎中#2号柴油燃料之燃烧，且提出一实验结果，其中在无水时，于400英尺.磅之引擎负载和每分钟1800转之引擎速度下在该反应器内维持一477℃之温度。所示的留在一反应器之固态碳C(S)、一氧化碳、甲烷、与氢气之摩尔百分率系为水与废气之质量比、及废气导入该反应器之速率的一个函数。范例1(312公斤/小时)代表现行柴油引擎之废气成份。范例3(62公斤/小时)代表老旧柴油引擎之一最差的废气成份范例。范例2(139公斤/小时)是一个介于中间之范例。

                    摩尔百分率

 质量比  0.0   0.2    0.4    0.6    0.8    1.0    2.0    3.0  C(S)  (1)   8.5E-5 0.0    0.0    0.0    0.0    0.0    0.0    0.0  (2)   1.8E-1 6.2E-2 0.0    0.0    0.0    0.0    0.0    0.0  (3)   3.8E-1 2.8E-1 1.8E-1 4.1E-2 0.0    0.0    0.0    0.0  CO  (1)   1.6E-2 4.3E-3 2.1E-3 1.6E-3 1.0E-3 7.0E-4 2.3E-4 6.2E-5  (2)   1.1E-2 1.4E-2 1.4E-2 1.0E-2 8.3E-3 6.6E-3 3.0E-3 1.6E-3  (3)   4.8E-3 8.0E-3 1.2E-2 1.3E-2 1.5E-2 1.5E-2 8.6E-3 5.6E-3  CH₄  (1)   8.7E-3 2.0E-3 5.0E-4 2.8E-4 1.7E-4 2.3E-5 1.6E-6 5.2E-7  (2)   3.2E-2 6.0E-2 6.5E-2 4.5E-2 3.4E-2 2.3E-2 4.8E-3 1.3E-3  (3)   9.8E-2 1.1E-1 1.2E-1 1.3E-1 1.4E-1 1.3E-1 6.1E-2 2.8E-2  H₂  (1)   5.1E-2 6.6E-2 5.7E-2 5.1E-2 4.4E-2 3.9E-2 2.5E-2 1.7E-2  (2)   8.8E-2 1.3E-1 1.6E-1 1.7E-1 1.7E-1 1.7E-1 1.5E-1 1.2E-1  (3)   1.4E-1 1.5E-1 1.7E-1 1.9E-1 2.0E-1 2.1E-1 2.2E-1 2.1E-1

由上表可看出留在该反应器之碳油烟单调地随着水质量比而减少，而对于其他三种材料，依其范例而定，可能有一最高值，随后在质量比超过2时降低。超过3之水质量比被认为是不实用的，因为它将难以在该反应区中维持高温，这是因为有太多水而需大量的水蒸发能量。

图1所示之实施例系以保留时间为代价，而最大化与形状有关的热辐射增强作用。为在该反应室20中获得可达到之几乎完全的氧化，图2中所示之实施例在该二金属筛网之间加入一额外的金属筛网71与一催化氧化剂层200。将使用商业上现成可用的且对氢气、轻质碳氢化合物、与一氧化碳特别有效的催化氧化剂。该氧化剂层应包括一在商业上现成可用之催化剂，而能有效地分解废气中之氮氧化物与硫氧化物。

如图2实施例中所用催化氧化剂之另一种选择方案，能使用一个在商业上现成可用之催化转换器，其已广泛地用于汽车引擎。图3显示一个实施例，其中使用一个催化转换器300。该催化转换器系安装在该出口管子11之上游，以致该出口12射流系直接通过进入该催化转换器。

图4与图5中所示之实施例不同于图1中所示之实施例，这是因该多孔性泡沫气室30之延伸。于图4所示之实施例中，该多孔性陶瓷泡沫气室32系以该多孔性陶瓷气室之全长接触该多孔性保热区4。这消除图1中所示之缝隙35，以致反应区21无一缝隙。通过该多孔性陶瓷泡沫区与各气室表面之辐射性传热，该缝隙具有增强反应区20温度之效果；然而，该缝隙亦未对该废气流动之运送提供任何阻抗，且减少该废气在该反应区内之保留时间。因此，图4中所示之实施例将以损失一些形状相关之热辐射增强作用为代价，而比图1中所示之实施例造成较大之保留时间。

于图5所示之实施例中，该等多孔性陶瓷泡沫气室31系以该等多孔性陶瓷泡沫气室3 1之部分长度，但非全长接触该多孔性保热区4。这导致该等多孔性陶瓷泡沫气室与多孔性保热区间之反应区22内缝隙36比图1中所示实施例之缝隙35较短。这实施例是保留时间与外开相关热辐射增强作用间的折衷。

图4与图5所示之实施例不同于图1中所示之实施例，只相关于该反应区中多孔性陶瓷泡沫气室之外形与范围。具有这二种多孔性陶瓷泡沫气室结构之实施例可在该反应区外面具有一催化氧化剂层，如图2中所示，或如图3中所示具有一个催化转换器。

对于汽油引擎，这反应器正好安装在该催化转换器之前，且对于柴油引擎，这反应器正好将安装在该引擎出口之后。

引擎废气之含氧(空气)量与其温度系足以在正常之操作条件下有效率地操作该反应器。然而，对于某种由引擎负载所引起之混乱状态，或关于未来之引擎发展，而涉及低含氧量(例如不使用涡轮增压器)或低出口温度(例如燃料系在一个稀混合气引擎中，接近该燃料喷射器之局部区域燃烧)者，可能需要一外在能源或一外在氧气(空气)来源，用于发生有效率的氧化和分解。图6显示一个实施例，其类似于图4中所示之实施例，除了一外在空气50来源外，该空气50来源系用一台泵52与管路51导入该反应区，且一能源60系位于该反应区23内。外在来源或能量或空气之使用不受限于图4中所示实施例之一变化，但同样可容易地应用于其他实施例。该能源可以是一电源，而由一电源或由电力设备供以动力，或可以是太阳能，或可以是直接来自一个油箱之石油能量。

工业应用性

由本发明之公开内容及实现本发明之各种模式，可明显看出本发明之应用性，以减少由内燃引擎释出有害之气体与颗粒排放物。本发明系附着至一支管子，以便运离来自内燃引擎之废气。